土壤天然纳米颗粒提取及其性质和环境行为的表征

论文摘要

纳米颗粒在科学及工程上都有着非常广泛的应用,而天然纳米颗粒的生物地球化学及其对生态环境的影响是发展最快的研究领域之一,但是对于天然土壤纳米颗粒的形态、性质及环境行为等相关研究尚处于起步阶段,许多问题有待探讨。我们采用超声分散的方式从中国常见的12种土壤中分散提取纳米颗粒,运用激光纳米粒度仪、透射电镜（TEM）、傅里叶红外（FTIR）、X射线衍射（XRD）等技术研究纳米颗粒的形貌特征、结构组成、环境行为等。研究结论主要有：本研究建立了一种清洁、快速、有效的提取土壤纳米颗粒的方法,并通过该方法确定了土壤中纳米颗粒的存量。提取纳米颗粒的方法与土壤自身性质有关,各种不同的土壤适用于不同的分散条件,黑土、棕壤中能够提取得到80-130g kg-1的纳米颗粒,这些纳米颗粒的粒径在30nm左右,无机矿物以蒙脱为主,褐土、潮土、黄壤、砖红壤等次之,所提取得到的纳米颗粒粒径在60-80nm左右,矿物组成以高岭石为主,而红壤、黄筋泥等土壤中无法提取得到纳米颗粒。纳米颗粒中的有机碳含量及比表面积值普遍高于原土壤中有机碳的含量和比表面积值。原始溶液条件下土壤纳米颗粒在长时间放置过程中团聚过程并不剧烈,其中从棕壤、黑土及广西的砖红壤提取得到的纳米颗粒能够在长时间内粒径仍保持在纳米尺度。纳米颗粒的浓度、pH、离子强度及种类是影响纳米颗粒稳定性的几个重要因素,较低的纳米颗粒浓度、较高的pH值及较低的离子强度等都有利于纳米颗粒保持分散稳定的状态。我们认为土壤纳米颗粒能够在土壤等多孔介质中迁移,因此能够参与地球生物圈的各种环境过程。我们采用水溶性提升实验测定菲在水及天然土壤纳米颗粒之间的分配系数。天然纳米颗粒能够促进菲在水中的溶解,当纳米颗粒粒径小颗粒分散稳定并含有较高有机质时,对于菲的增溶作用非常明显,但当纳米颗粒的稳定性及分散性下降时,如纳米颗粒的浓度增加,导致纳米颗粒相互碰撞团聚的概率增加及纳米颗粒长时间放置导致纳米颗粒自身的团聚过程,会致使纳米颗粒的粒径变大,吸附表面变小,影响到对菲的吸附,使菲在水溶液中的溶解度呈指数型下降。过柱实验的设置用于模拟纳米颗粒在饱和多孔介质中的迁移及其行为对菲的迁移的影响。天然纳米颗粒在多孔介质中处于一个不稳定的状态,团聚、吸附、脱附等作用都极易发生,但由于它们对菲具的较强吸引力,菲能够从介质表面脱附同时吸附在纳米颗粒上并随之迁移。因此说纳米颗粒的环境行为对于菲的迁移有着重要的影响。

论文目录

• 本研究承国家自然科学基金重点项目（41130532）及国家自然科学基金面上项目（20977077）联合资助
• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 图表目录
• 文中缩略
• 1 绪论
• 1.1 “纳米”的起源与发展
• 1.1.1 “纳米”的起源
• 1.1.2 “纳米”的定义及相关概念
• 1.1.3 “纳米”研究的科学基础
• 1.2 工程纳米颗粒的广泛应用及环境风险
• 1.2.1 工程纳米颗粒的产生、种类及其特殊性质
• 1.2.2 工程纳米颗粒在环境领域里的应用
• 1.2.3 应用过程中工程纳米颗粒可能带来的环境风险评估
• 1.3 天然纳米颗粒的存在及环境影响
• 1.3.1 自然界纳米尺度的地球化学过程及天然纳米颗粒的产生
• 1.3.2 土壤天然纳米颗粒的形成及种类
• 1.3.3 土壤天然纳米颗粒的环境影响
• 1.4 天然纳米颗粒研究的热点及进展
• 1.4.1 天然纳米颗粒的环境行为
• 1.4.2 天然纳米颗粒与污染物的相互作用
• 1.4.3 重要的相关理论及公式模型
• 1.5 天然纳米颗粒研究的问题及展望
• 1.5.1 机遇与挑战
• 1.5.2 论文研究目标和思路
• 2 中国土壤中天然纳米颗粒提取方法的研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 实验仪器与试剂
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.3.1 天然纳米颗粒非破坏性的提取
• 2.2.3.2 天然纳米颗粒破坏性的提取
• 2.2.3.3 土壤纳米颗粒粒径的测定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 土壤基本理化性状
• 2.3.2 天然纳米颗粒的非破坏性提取
• 2.3.2.1 不同土壤在剧烈分散下的稳定性
• 2.3.2.2 不同强度分散能量对于土壤纳米颗粒的提取量及粒径的影响
• 2.3.3 天然纳米颗粒的破坏性提取
• 2.3.3.1 分散剂条件下天然纳米颗粒的提取
• 2.3.3.2 去除有机质后无机纳米颗粒的提取
• 2.4 结论
• 3 中国土壤中天然纳米颗粒的存量、形态及结构组成
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 实验仪器与试剂
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.3.1 纳米颗粒结构组成的测定
• 3.2.3.2 纳米颗粒形态的测定
• 3.2.3.3 纳米颗粒碳氮含量的测定
• 3.2.3.4 纳米颗粒的比表面积等测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 土壤中纳米颗粒的存量
• 3.3.2 土壤纳米颗粒的粒径及其形态
• 3.3.3 纳米颗粒的主要结构及组成
• 3.3.4 纳米颗粒的基本性质变化
• 3.3.5 团聚后纳米颗粒再分散
• 3.4 结论
• 4 土壤纳米颗粒存在的环境条件及其稳定性
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.1.1 纳米颗粒的稳定性实验
• 4.2.1.2 环境条件对于纳米颗粒稳定性的影响
• 4.2.2 实验仪器与试剂
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.3.1 天然纳米颗粒稳定性的测定
• 4.2.3.2 DLVO理论
• 4.2.3.3 土壤纳米颗粒的浓度对于纳米颗粒在悬浊液中稳定性的影响
• 4.2.3.4 pH对于纳米颗粒在悬浊液中稳定性的影响
• 4.2.3.5 离子强度及其种类对纳米颗粒在悬浊液中稳定性的影响
• 4.2.3.6 有机质对纳米颗粒在悬浊液中稳定性的影响
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 土壤自然环境条件的影响
• 4.3.2 放置时间的影响
• 4.3.3 纳米颗粒稳定性变化的因素分析
• 4.3.4 土壤纳米颗粒浓度的影响
• 4.3.5 pH的影响
• 4.3.6 Na离子浓度的影响
• 4.3.7 Ca离子浓度的影响
• 4.3.8 有机质对纳米颗粒稳定性的影响
• 4.4 结论
• 5 天然纳米颗粒在多孔介质中的迁移
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 实验仪器与试剂
• 5.2.3 实验方法
• 5.2.3.1 过柱实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 多孔介质柱子的基础参数
• 5.3.2 不同的纳米颗粒的回收率
• 5.3.3 不同的纳米颗粒的穿透曲线
• 5.4 结论
• 6 纳米颗粒对于有机污染物水溶性提升的研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 材料
• 6.2.2 实验仪器与试剂
• 6.2.3 实验方法
• 6.2.3.1 水溶性增强实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 纳米颗粒对菲表观溶解度的影响
• 6.3.2 纳米颗粒对于菲增溶作用的影响因素
• 6.3.3 不同的震荡时间对于溶解度的影响
• 6.4 结论
• 7 纳米颗粒对多孔介质中的污染物的迁移作用
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 材料
• 7.2.2 实验仪器与试剂
• 7.2.3 实验方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 污染物在纳米颗粒作用下的迁移能力
• 7.3.3 不同纳米颗粒对于污染物迁移能力的影响
• 7.4 结论
• 8 研究结论、创新点及展望
• 8.1 研究结论
• 8.1.1 土壤纳米颗粒的提取技术
• 8.1.2 土壤纳米颗粒的表征
• 8.1.3 影响土壤纳米颗粒稳定性的环境因素
• 8.1.4 土壤纳米颗粒在多孔介质中的迁移
• 8.1.5 土壤纳米颗粒对于多环芳烃的增溶作用
• 8.1.6 土壤纳米颗粒对于多环芳烃的迁移的影响
• 8.2 创新点
• 8.3 不足之处及研究展望
• 参考文献
• 作者简历